现代测控仪器仪表技术

1、Hubei University of Technology现代测控与仪器仪表技术现代测控与仪器仪表技术Hubei University of Technology提纲提纲s现代测控与仪器仪表技术的特点；s现代测控与仪器仪表工业关键技术框架；s现代测控与仪器仪表技术发展趋势。 Hubei University of Technology一、现代测控与仪器仪表技术的特点一、现代测控与仪器仪表技术的特点s光、机、电、算一体化，典型： 视觉测量技术。s以软件为核心的数字化测试控制技术，典型： 虚拟仪器技术 ； 软测量技术。Hubei University of Technology1、光、机、电、算

2、一体化、光、机、电、算一体化s仪器仪表的自身结构已从单纯机械结构，发展成为集传感技术、计算机技术、电子技术等多种高新技术于一身的系统。s技术呈现光、机、电、算一体化的特点。Hubei University of Technology光、机、电、算一体化光、机、电、算一体化s例1：工业温度测量s温度计是测温仪器的总称。根据所用测温物质的不同和测温范围的不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计、双金属温度计等。 Hubei University of Technology例例1：工业温度测量：工业温度测量s玻璃温度计Hubei Un

3、iversity of Technology例例1：工业温度测量：工业温度测量s双金属指示热电阻(偶)是具有现场指示和远传显示功能的一体化温度测量仪表，可用来直接测量气体、液体和物质的温度。仪表可现场清晰地看到指示值，又可把信号远传到控制室。传到控制室的信号有Pt100热电阻信号，K型、E型和J型热电偶信号，也有经过变送为4-20mA的标准信号，起到了一表两用的作用。 Hubei University of Technology例例1：工业温度测量：工业温度测量s红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统）接受被测目标的红外辐射能量分布图形

4、反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。Hubei University of Technology例例1：工业温度测量：工业温度测量Hubei University of Technology视觉测量技术视觉测量技术s视觉测量技术：采用图像传感器（视觉测量技术：采用图像传感器（CCDCCD器件等）器件等）实现对被测物体的尺寸及空间位置的三维非接触实现对被测物体的尺寸及空间位置的三维

5、非接触测量。测量。s基于机器视觉的机电产品检测系统的一般组成基于机器视觉的机电产品检测系统的一般组成 采采 集集 卡卡 图像分析软件图像分析软件 检测检测平台平台 控控 制制 接接 口口 Hubei University of Technology例例2：视觉测量：视觉测量s 基于机器视觉技术的滚针轴承漏针照相检测基于机器视觉技术的滚针轴承漏针照相检测系统系统Hubei University of Technology例例2：视觉测量：视觉测量s检测系统工作原理检测系统工作原理Hubei University of Technology例例2：视觉测量：视觉测量s测量系统Hubei Unive

6、rsity of Technology1启动按钮2停止按钮3LED光源4调整螺钉5CCD相机6报警器7液晶显示器8防护罩9被测工件10工业计算机11皮带输送机12主机柜13电气柜系统硬件结构示意图 Hubei University of Technology例例2：视觉测量：视觉测量s图像采集系统的设计图像采集系统的设计Hubei University of Technology例例2：视觉测量：视觉测量s图像采集系统的组成：图像采集系统的组成：照明光源：光源：低角度LED环形光源。 CCD相机： Costar公司的公司的SI-M350相机相机（ 1/2” 分辨率640480 隔行扫描相机）。

7、 镜头：镜头：Computar的一款大景深的小角度的镜头的一款大景深的小角度的镜头M1614-MP。 图像采集卡：图像采集卡：MatroxMatrox公司的公司的 CronosPlusCronosPlus。Hubei University of Technology例例2：视觉测量：视觉测量s机械设计满足：满足： 智能控制自动上料机构 照相机构的可调 道边可调，适应不同直径的轴承 分选结构的安全性Hubei University of Technology例例2：视觉测量：视觉测量s电气控制设计电气控制设计s采用“工控机工控机+开开关量输入输出板关量输入输出板卡卡”Hubei Universi

8、ty of Technology例例2：视觉测量：视觉测量s气动控制设计气动控制设计Hubei University of Technology例例2：视觉测量：视觉测量s系统软件系统软件功能： 上料控制 图像采集 图像识别 轴承分拣 系统自诊断Hubei University of Technology2、以软件为核心的数字化测试控制技术、以软件为核心的数字化测试控制技术 公司于1986年提出“软件即仪器”的口号。 是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。用户可以在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能。s“

9、虚拟虚拟”二字主要包括以下两方面的含义：二字主要包括以下两方面的含义： 仪器面板是虚拟的； 仪器功能由软件编程来实现。Hubei University of Technology硬件（电子线路）硬件（电子线路）硬件（显示器&旋钮）硬件（电子线路）计算机算法计算机算法&软件界面软件界面计算机资源结果表达结果表达&仪器控制仪器控制信号处理信号处理数据采集数据采集硬件（电子线路）软件界面软件界面计算机资源虚拟仪器的特点Hubei University of Technology 易于携带易于携带高扩展性高扩展性价格低廉价格低廉虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器的优势PC逐步普及逐步普及PC技术的日趋成熟技术的

10、日趋成熟仪器的更新换代逐仪器的更新换代逐 步加快步加快现现 状状Hubei University of Technology虚拟仪器的发展历程虚拟仪器的发展历程第一阶段：利用计算机增强传统仪器的功能 使用通讯总线（GPIB等）控制台式仪器Hubei University of Technology 第二阶段：开放式的仪器构成 出现了插卡式仪器和仪器总线(VXI&PXI)，计算机成为仪器的重要组成部分。 Hubei University of TechnologyDAQ(Data AcQuisition, 数据采集数据采集):，指基于计，指基于计算机标准总线的内置功能插卡。算机标准总线的内置功能

11、插卡。Hubei University of TechnologyVXI机箱和模块机箱和模块VXI: VME总线在仪器领域的扩展总线在仪器领域的扩展Hubei University of TechnologyPXI机箱和模块机箱和模块PXI: PCI总线在仪器领域的扩展总线在仪器领域的扩展Hubei University of Technology 第三阶段：虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用虚拟仪器成为主流，几个虚拟仪器平台成为标准工具，产生了虚拟仪器软件标准。Hubei University of TechnologyLXI LAN eXtensions for Instrumentatio

12、Hubei University of TechnologyHubei University of Technology虚拟仪器的组成虚拟仪器的组成按照虚拟仪器的组成划分，它可以分为计算机、应用软件和仪器硬件三个部分。 计算机：提供虚拟仪器通用平台，数据存储，显示等； 仪器硬件：获取被测信号，产生激励信号等； 应用软件：控制数据采集、控制、分析、处理和显示等，是虚拟仪器的关键。Hubei University of Technology虚拟仪器的分类虚拟仪器的分类 可以按应用领域分类，也可以按测量功能分类，最常用是按总线接口类型划分： 插卡式（DAQ）虚

13、拟仪器 串行口（RS232/422）虚拟仪器 USB接口虚拟仪器 IEEE1394虚拟仪器 GPIB虚拟仪器 VXI虚拟仪器 PXI虚拟仪器 LXI虚拟仪器 Hubei University of Technology虚拟仪器的结构虚拟仪器的结构Hubei University of Technology虚拟仪器使用通用计算机的资源和开发环境虚拟仪器使用通用计算机的资源和开发环境 a. 计算机资源： 标准I/O硬件（如串行口，PCI/ISA扩展槽或其它硬件标准）； 用户界面，特别是图形用户界面（GUI）； 通用软件执行平台，如操作系统和各种动态连接库； 和其它计算机和设备连网，用于分布式测控；

14、 互联网，为用户提供远程测量和监控功能。Hubei University of Technology b.软件开发环境： 通用软件开发环境，包括各种版本的C/C+（包括Visual C+、Borland C+ Builder等），Visual Basic，Delphi，Java，Visual S等。 测控专用软件开发环境，LabVIEW、LabWindows/CVI、Agilent VEE等。 其它测控软件工具（如NI公司的ComponentWorks、HIQ、SPC Toolkit、SQL Toolkit等，Agilent公司的T&M Programmers Toolkit等，以及其他厂商的

15、ActiveX控件等）。Hubei University of Technology例3：轮对激光自动测量机 Hubei University of Technology轮对激光自动测量机 Hubei University of Technology轮对激光自动测量机 Hubei University of Technology轮对激光自动测量机 Hubei University of Technology例例4：虚拟数字万用表虚拟数字万用表s RIGOL产品：产品： VM3000系列数字万用表是一款集高精度数据采集、自动测量、多通道巡检测量、多种数学变换功能、任意传感器测量等功能于一身的虚拟

16、数字万用表。Hubei University of Technology50kSPS高速数据采集高精度,真正6 位显示任意传感器测量1M存储深度26种测量功能自动测量及巡检功能 USB、LAN接口VM3000虚拟万用表Hubei University of TechnologyUSB 2.0接口接口LAN 接口接口POWER16路巡检接口路巡检接口高压测量高压测量电流测量电流测量低压测量低压测量VM3000的外观Hubei University of Technology直流电压直流电压交流电压交流电压直流电流直流电流交流电流交流电流两线电阻测量两线电阻测量四线电阻测量四线电阻测量电容测量电容

17、测量短路测试短路测试二极管测试二极管测试频率测量频率测量比率测量比率测量任意传感器测量任意传感器测量恒流源充放电的方式恒流源充放电的方式传感器传感器温度温度气体气体压力压力周期测量周期测量26种测量功能Hubei University of TechnologyLANUSBCH1CH2CH3CH15CH16待测物待测物1待测物待测物2待测物待测物3待测物待测物15待测物待测物16自动测量及巡检功能Hubei University of Technology 强大的软件功能Hubei University of Technology VM3000的操作界面Hubei University of

18、Technology VM3000突出优点 测量精度：测量精度：6位位(2,400,000-count)，5位位(500,000-count) 高达高达50 K/s的采样速率，高达的采样速率，高达1M采样点的存储深度采样点的存储深度 16路测量巡检功能和控制软件路测量巡检功能和控制软件Ultralogger 高阻输出范围可达高阻输出范围可达48V( 24 V ) 电流测量高达电流测量高达10A 26种测量功能种测量功能 包括强大的任意传感器测量以及电容测量等包括强大的任意传感器测量以及电容测量等 真正的真正的RMS交流电压和电流测量交流电压和电流测量 USB 2.0接口，即插即用接口，即插即用

19、 LAN远程控制接口，支持虚拟终端显示和控制远程控制接口，支持虚拟终端显示和控制Hubei University of Technology高速数据采集功能完美重现音乐品质测测试试信信号号50K高速采样CD音质44.1KHubei University of Technology啤酒桶啤酒发酵测量-16路巡检&任意传感器温度温度?湿度湿度?压强压强?巡检模块巡检模块Hubei University of Technology软测量技术软测量技术软测量就是依据可测、易测的过程变量(称为辅助变量)与难以直接检测的待测变量(称为主导变量)的数学关系，根据某种最优准则，采用各种计算方法，用软件实现对待

20、测变量的测量或估计。软测量技术主要包括四个方面： (1)辅助变量的选取； (2)数据处理； (3)软测量模型的建立； (4)软测量模型的在线校正。Hubei University of Technology软仪表的描述 s软仪表的目的：利用所有可获得的信息，求取主导变量的“最佳”估计值 ，即构造从可测信息集 到 的映射。 yy主导变量 辅助变量 干扰 控制变量 上一页下一页返 回Hubei University of Technology软仪表性能依赖于过程的描述、噪声和扰动的特性、辅助变量的选取以及“最佳”的含义，即给定的某种准则。建立软仪表的过程就是构造一个数学模型。方法： 机理建模方法；

21、 实验建模方法。软仪表与一般意义下的数学模型区别： 数学模型主要反映与或之间动态(或稳态)关系， 软仪表是通过求的估计值。上一页下一页返 回Hubei University of Technology2. 仪器仪表工业关键技术仪器仪表工业关键技术s仪器仪表工业关键技术是指对仪器仪表工业发展起关键作用的技术；具有方向性，起带头作用，波及效果大，涉及面广，综合性强；关键技术攻克后，能带来巨大社会经济效益，适应社会、科技、经济发展的需要，具有鲜明的时代特征。 s总体来说，一共有51项关键技术，属于三个技术领域，十个方面。 Hubei University of Technology仪器仪表工业关键技

22、术仪器仪表工业关键技术s1、信息获取技术 1-1 复合传感器技术：敏感材料技术，传感器制造技术，传感器应用技术。 1-2 精密测试技术：自动测量技术，在线测试技术，多参数综合测量技术，视觉测量技术，人工智能测试技术，测试软件技术，微成像技术，仪器仪表标定技术。 1-3 智能仪表技术：专用电路技术，现场信号集成技术，传感变送一体化技术。 1-4 现场溯源技术：纳米溯源技术，自校准技术。 Hubei University of Technology仪器仪表工业关键技术仪器仪表工业关键技术s2、信息处理控制技术 2-1 现场总线技术：微计算机技术，集成电路技术，通信技术，网络互联技术，现场控制技术。

23、 2-2 智能控制技术：模糊控制技术，专家控制技术，分级递阶智能控制技术，神经网络控制技术，拟人智能控制技术，自适应控制技术。 2-3 系统集成技术：多媒体技术，故障诊断技术，通信接口技术，数据库技术。 Hubei University of Technology仪器仪表工业关键技术仪器仪表工业关键技术s3、精密制造技术 3-1 仪器仪表现代设计技术：计算机辅助设计技术，可靠性设计技术，系统优化设计技术，人机工程学设计技术，产品造型设计技术，专用功能块线路设计技术，反求工程设计技术，虚拟设计技术。 3-2 仪器仪表特种工艺技术：计算机辅助制造，精细加工技术，特种加工技术，高密度电子组装技术，微

24、机械加工技术，精密、快速成型技术，表面涂复技术。 3-3 现代管理技术：全面质量管理技术，准时生产，精益生产技术，并行工程，柔性生产技术。 Hubei University of Technology3.现代测控与仪器仪表技术发展趋势现代测控与仪器仪表技术发展趋势s技术上向“四个现代化”（数字化、智能化、网络化和微型化）发展。Hubei University of Technology数字化数字化s由于微电子技术的进步，仪器仪表产品进一步与微处理器、PC技术融合，仪器仪表的数字化、智能化水平不断得到提高。s以美国德州仪器公司提出的“DSPs”概念为例，以数字信号处理器DSP芯片为核心，配合先进

25、的混合信号电路、ASIC专用集成电路、元件及开发工具等提供整个应用系统的解决方案。s仪器仪表中采用了大量的超大规模集成(VLSI)的新器件、表面贴装技术(SMT)、多层线路板印刷、圆片规模集成(WSI)和多芯片模块(MCM)等新工艺，CAD、CAM、CAPP 、CAT等计算机辅助手段，使多媒体技术、人机交互、模糊控制、 人工神经元网络等新技术在现代仪器仪表中得到了广泛应用。 Hubei University of Technology数字化数字化s在产品设计和客户需求日益复杂的今天，用于测试测量的仪器系统也朝着以软件为核心的模块化方向发展，使得用户能够更快更灵活的将测试集成到设计过程中去，进一

26、步减少了开发时间。s通过软件定义模块化硬件的功能，用户可以快速实现不同的测试功能，并应用定制数据分析算法和创建自定义的用户界面。s多核/并行测试带来机遇和挑战。可以将自动化测试程序的数据采集、数据分析、数据记录乃至用户界面部分创建不同的线程，从而分配到不同的核上并行的运行。 Hubei University of Technology智能化智能化 s微控制器由于其集成度、可靠性、性能价格比高、抗干扰能力强及功耗小等特点，使其在仪器仪表领域中起到极其重要的作用。s将ARM、DSP等处理器与可编程器件CPLD/FPGA整合为一体是新型控制器的趋势。Hubei University of Techn

27、ologyARM处理器处理器sARM 即Advanced RISC Machines的缩写,既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 sARM处理器是一种低功耗、高性能的32位RISC（精简指令集算法）处理器。它占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。 Hubei University of TechnologyARM处理器处理器s目前，常用的ARM微处理器系列有ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、 SecurCore系列、Intel的Xscale等，其中ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和

28、ARM11为5个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。 Hubei University of TechnologyDSP处理器处理器s数字信号处理的内容：以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、检测、谱分析、估计、增强、压缩、识别等一系列的加工处理。 sDSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。s世界上三大DSP芯片生产商:1.德克萨斯仪器公司(TI) 2.模拟器件公司(ADI) 3.摩托罗拉公司(Motorola).这三家公司几乎垄断了通用DSP芯片市场。 Hubei Universi

29、ty of TechnologyDSP处理器处理器sDSP工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 Hubei University of Technology可编程器件可编程器件CPLD/FPGAs当今的EDA （电子设计自动化：Electronic Design Automation）技术更多的是指可编程逻

30、辑器件的设计技术，即芯片内的电路设计自动化。也就是说，开发人员完全可以通过自己的电路设计来定制其芯片内部的电路功能，使之成为设计者自己的专用集成电路（即ASIC）芯片，这就是我们今天所说的的EDA 技术用户可编程逻辑器件（PLD）技术。其应用也无处不在，从简单的逻辑电路、时序电路设计到复杂的数字系统设计均能得心应手，在通信领域（软件无线电），在数字信号处理（DSP）领域、在嵌入式/片上系统（SOC）及各种IP 内核等诸多领域早已广泛应用。 Hubei University of Technology可编程器件可编程器件CPLD/FPGAs复杂可编程逻辑器件(Complex programmab

31、le logic device, CPLD)s现场可编程门阵列器件 (Field programmable gate array, FPGA)sCPLD/FPGA 同属于高密度用户可编逻辑程器件，其芯片门数（容量）等级从几千门几万门、几十万门到几百万门以上不等，适合于时序、组合逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用IC 芯片，实际上这样的CPLD/FPGA 就是一个子系统部件。在很大程度上他们具有类似之处，比如其电路设计方法都一样。相比而言，CPLD 适合于做各种算法和组合逻辑电路设计，而FPGA 更适合完成时序比较复杂的逻辑电路。 Hubei University of Technology可编程器件可编程器件CPLD/FPGAs可编程器件真正做到了硬件的“软件化”自动设计，这就是当今的EDA 电子设计自动化技术。可以不夸张地说由于可编程器件的出现，传统的（数字）电路设计方法和过程得到了一次革命和飞越。sCPLD/FPGA技术实现的硬件形式和涉及的理论模型必将走向一个统一的结合体，即单片系统SoC（system